Как контроллеры заряда MPPT ограничивают мощность, если нагрузка меньше солнечной генерации?

Я пытаюсь понять, как работают контроллеры заряда MPPT, когда нагрузка меньше, чем выработка солнечной энергии. Давайте предположим автономную систему с резервным аккумулятором и без сброса нагрузки. В моем понимании могут быть следующие ситуации:

  • солнечная батарея <нагрузка: солнечная энергия частично удовлетворяет требованиям нагрузки, остальная часть поступает от батареи
  • солнечная батарея = нагрузка: вся нагрузка выполняется непосредственно солнечной батареей, состояние батареи остается неизменным
  • солнечная батарея > нагрузка (батарея не полностью заряжена): солнечная энергия будет питать нагрузку, а остальная часть пойдет на батарею.
  • солнечная батарея > нагрузка (аккумулятор полностью заряжен): в этом случае контроллеры заряда сокращают выработку электроэнергии, чтобы точно согласовать ее с нагрузкой. Избыток солнечной энергии теряется в виде тепла.

Я хочу понять, как это сокращение происходит в реальных контроллерах заряда MPPT. Выходят ли методы/чипы MPPT из режима MPPT, а рабочая точка солнечной панели контролируется потребляемым током? В этом сценарии, как вся эта схема (преобразователь постоянного тока) узнает, насколько велик спрос? Существует ли неявная петля обратной связи?

Буду очень признателен за подробный ответ на вопрос. Пожалуйста, дайте мне знать, если вопрос неоднозначен.

Ответы (4)

Контроллеры MPPT предназначены не для балансировки мощности, а для максимизации мощности.

Допустим, у вас есть такая система:

  • Солнечные батареи ⇒ контроллер MPPT ⇒ зарядное устройство ⇒ аккумулятор ⇒ нагрузка

Если нагрузка на систему меньше, чем поступающая солнечная энергия, напряжение батареи возрастет.

Когда напряжение батареи достигает точки, когда зарядное устройство решает, что батарея полностью заряжена, зарядное устройство отключается и перестает получать питание от контроллера MPPT. Другими словами, зарядное устройство будет иметь высокое сопротивление для контроллера MPPT.

MPPT может отреагировать на это, предоставив солнечным панелям высокий импеданс, эффективно останавливая любое значительное потребление энергии солнечными панелями.

Когда батарея не заряжается, нагрузка приводит к падению напряжения батареи. Затем зарядное устройство снова начнет получать питание от MPPT, и MPPT снова начнет вести себя как MPPT. И цикл повторяется. Система может переключаться между этими двумя состояниями несколько раз в минуту или даже тысячи раз в секунду, все зависит от постоянных времени (размера батареи или емкости) и гистерезиса в системе.

У вас может быть коммерческий продукт под названием «MPPT», который имеет больше, чем контроллер MPPT. Например, он может иметь встроенное зарядное устройство и, возможно, даже встроенный регулятор напряжения для выхода батареи. Не позволяйте упрощенному маркетинговому жаргону сбить вас с толку. Часть MPPT устройства обрабатывает только MPPT, и если устройство также правильно заряжает аккумулятор, то в него также должно быть встроено зарядное устройство.

Спасибо за ответ, многое прояснил. Однако у меня есть к вам еще один вопрос. Предположим, что система выглядит следующим образом: Солнечные батареи ⇒ контроллер MPPT ⇒ инвертор ⇒ нагрузка Если предположить, что солнечная энергия > нагрузка, как поведет себя эта система?
Тогда не стесняйтесь создавать новый вопрос.
Извините, я нажал Enter по ошибке. Я добавил свой новый вопрос в предыдущий комментарий. Это связано с первым вопросом, поэтому я не хочу создавать новую тему.
Кажется, я ответил на это в двух абзацах, начинающихся со слов «Когда напряжение батареи…». Но я добавлю третий абзац, чтобы описать, как система может вести себя с течением времени.
У меня нет батареи в новом сценарии. Предположим, я пытаюсь запустить свою нагрузку непосредственно от солнечных панелей, и моя система выглядит следующим образом: Солнечная панель --> Контроллер заряда MPPT --> Инвертор --> Нагрузка. Я знаю, что это обычно не используется и, возможно, не рекомендуется. Однако мне интересно понять, как эта система будет работать теоретически. Примечание: у меня нет батареи в этой системе.
Ваш первоначальный вопрос действительно описывал систему с батареей. Просто говорю. Но даже без батареи вы, вероятно, могли бы использовать довольно похожую модель, просто притворившись, что батарея очень маленькая. Или, может быть, вам нужно добавить большой толстый конденсатор на выход MPPT для стабильности. Это зависит.
Поскольку большинство инверторов допускают диапазон входного постоянного напряжения, нужен ли нам в этом случае конденсатор? Что касается работы, пожалуйста, дайте мне знать, верно ли мое понимание, изложенное ниже. В этом сценарии меньшая нагрузка будет означать высокое сопротивление на выходе инвертора. Инвертор, в свою очередь, будет иметь высокий импеданс на своем входе (выход контроллера заряда MPPT), что приведет к его распространению дальше на солнечную панель, и будет произведено меньше энергии (поскольку рабочая точка солнечной панели на кривой IV будет меняться в зависимости от новый импеданс). Однако как тогда работает алгоритм MPPT?

Ваши предположения верны, за исключением:

солнечная батарея > нагрузка (аккумулятор полностью заряжен): в этом случае контроллеры заряда сокращают выработку электроэнергии, чтобы точно согласовать ее с нагрузкой. Избыток солнечной энергии теряется в виде тепла.

Он не преобразуется в тепло, скорее преобразуется не вся доступная мощность от панели.

MMPT ищет оптимальную точку, измеряя напряжение и ток с панели, а затем умножая их для получения мощности. При повышении/понижении выходного напряжения DC/DC преобразователя панель токового желоба изменяется, таким образом, можно найти точку MPPT.

Если «потребность» меньше, чем доступная солнечная энергия, то выходное напряжение преобразователя постоянного тока вырастет до максимально допустимого напряжения, которое, вероятно, устанавливается в качестве параметра на контроллере. Даже если напряжение высокое и нет подходящей нагрузки, то будет минимальное потребление тока от панели, конечно вне точки MPPT, но этого не избежать. Самое главное, чтобы фотоэлектрическое напряжение не падало слишком низко, когда спрос превышает доступное предложение. Таким образом вы получаете балл MPPT.

«Он не превращается в тепло» Это натяжка. Панель PV станет более горячей.
@winny Например, скажем, что панель полностью разгружена, ток равен нулю - почему она будет нагреваться больше, чем будет оптимально загружена?
electronics.stackexchange.com/questions/313804/… этот пост предполагает, что энергия солнца, которая не поступает в нагрузку, теряется в виде тепла.
@NomanBashir Интересно, но я не нашел точного утверждения об этом в связанной ссылке. У вас есть?
Энергия должна куда-то деться. Если оно не отражается как электромагнитное излучение, я не вижу, куда еще оно могло бы деться, кроме тепла. Являются ли фотоэлектрические системы с разомкнутым контуром более отражающими?
Базовая физика. Вся поступающая энергия должна куда-то уходить, и если она не уводится в виде электричества и не используется в другом месте, все, что остается природе, — это повышать температуру до тех пор, пока она не излучается.
@Dampmaskin В средних и глубоких ИК-спектрах вы должны увидеть разницу с камерой.
Хорошо, я покупаю это. Это логично, я не видел, чтобы панели меняли цвет, но я не видел и заморозки.
@winny Это интересно. Если изменение происходит немедленно, когда цепь открывается и закрывается, это подразумевает отражение. Если это медленно, это будет означать тепловое излучение (т.е. тепло). Согласованный?
@Dampmaskin Конечно!

Выходят ли методы/чипы MPPT из режима MPPT, а рабочая точка солнечной панели контролируется потребляемым током?

Да. Напряжение панели будет повышаться, когда батарея полностью заряжена.

В этом сценарии, как вся эта схема (преобразователь постоянного тока) узнает, насколько велик спрос? Существует ли неявная петля обратной связи?

Контроллер MPPT содержит две петли обратной связи: одна регулирует входное напряжение, поддерживая точку максимальной мощности, а другая регулирует выходное напряжение. Если выходное напряжение ниже уставки, т.е. батарея поглощает всю доступную мощность, то используется первый контур. Когда выходное напряжение достигает заданного значения, второй контур управляет. В противном случае батарея будет перезаряжена.

Привет, спасибо за ответ, это имеет большой смысл. Не могли бы вы ответить на этот вопрос? Предположим, я пытаюсь запустить свою нагрузку непосредственно на солнечные панели, и моя система выглядит так: Солнечная панель --> Контроллер заряда MPPT --> Инвертор --> Нагрузка. Я знаю, что это не обычно используется и, возможно, не рекомендуется. Однако мне интересно понять, как эта система будет работать теоретически. Что произойдет, если нагрузка будет меньше, чем может генерировать солнечная панель?
@NomanBashir Если нагрузка меньше максимальной мощности солнечной панели, напряжение нагрузки повысится до заданного значения, затем, чтобы предотвратить повышение напряжения нагрузки, меньший ток будет потребляться от солнечной панели, и напряжение панели увеличится выше точка максимальной мощности. Контроллеры заряда MPPT, которые я видел, специально предостерегают от использования без батареи, говоря, что это повредит контроллер.

Выходят ли методы/чипы MPPT из режима MPPT, а рабочая точка солнечной панели контролируется потребляемым током?

Да, конечно. Низкая нагрузка означает, что солнечная панель потребляет меньше энергии. Если вы посмотрите на кривую IV солнечного элемента ниже (любезно предоставлено Википедией ), вы увидите, что при уменьшенном токе элемент поднимется почти до своего максимального напряжения и останется там, намного ниже MPP.

введите описание изображения здесь

В этом сценарии, как вся эта схема (преобразователь постоянного тока) узнает, насколько велик спрос? Существует ли неявная петля обратной связи?

Да, любой DC-DC контроллер с настраиваемым выходным напряжением имеет цепь обратной связи. И нет, оно не «знает» спроса. Это не обязательно. Цель обратной связи — поддерживать выходное напряжение на заданном уровне.

Преобразователи постоянного тока в постоянный являются в основном устройствами передачи энергии. Они регулируют мощность (то есть скорость передачи энергии) путем изменения частоты и/или рабочего цикла. Обратите внимание, что, следовательно, это также определяет входной ток (и отвечает на ваш вопрос «как происходит это сокращение»). Давайте сравним разные устройства для наглядности.

  • Простой контроллер постоянного тока использует обратную связь по выходному напряжению для регулировки мощности таким образом, чтобы выходное напряжение оставалось на требуемом уровне независимо от тока, потребляемого нагрузкой. Он не заботится об источнике питания, потребляя столько энергии, сколько необходимо или доступно.

  • Контроллер MPPT использует датчики входного напряжения и тока и регулирует потребляемую мощность так, чтобы солнечная панель оставалась на MPP. Это лучше всего работает с нагрузками, имеющими широкий диапазон рабочего напряжения или способными приспосабливаться к любой доступной им мощности. Некоторыми примерами являются водонагреватели, водяные насосы и инверторы. Также можно использовать внешние зарядные устройства. При тщательном выборе размера панели даже примитивных схем максимального тока может быть достаточно для некоторых химических элементов батарей.

  • Наконец, самым сложным устройством является контроллер зарядного устройства MPPT . Он использует датчики как на входе, так и на выходе , чтобы обеспечить правильный профиль зарядки CC / CV, в то же время поддерживая панель в MPP. Это, конечно, работает в основном на стадии энергоемкой зарядки CC. Во время стадии CV выходной ток падает достаточно значительно, чтобы вывести вход из режима MPP.

Следует отметить одну очень важную вещь: приведенное выше не учитывает нагрузку, подключенную параллельно аккумулятору. Мне не удалось найти ни одного контроллера заряда MPPT со встроенным управлением питанием (не значит, что его нет, конечно). Это означает, что использование контроллера зарядного устройства с нагрузкой не очень хорошая идея, поскольку он не может отличить ток, потребляемый нагрузкой, от тока, поступающего в аккумулятор.

Лучшим вариантом было бы использование двухкаскадной схемы, где контроллер MPPT заботится о получении максимальной мощности на первой ступени, а зарядное устройство с возможностью прохождения мощности заботится о наиболее эффективном распределении и правильном профиле заряда на второй ступени.

Я настоятельно рекомендую прочитать SLPA013A от TI. В нем есть алгоритмы именно для такой настройки, хотя и реализованные в довольно сложной системе.

Что, если мы пытаемся обслуживать только нагрузку, без батарей, с контроллером заряда MPPT? Предположим, моя система выглядит так: Солнечная панель --> Контроллер заряда MPPT --> Инвертор --> Нагрузка. Я знаю, что это не обычно используется и, возможно, не рекомендуется. Однако мне интересно понять, как эта система будет работать теоретически. Что произойдет, если я захочу эту систему с обычным контроллером заряда MPPT? Или какие изменения потребуются в контроллере заряда MPPT, чтобы эта система заработала?
Зачем вам использовать контроллер заряда с чем-то, кроме аккумуляторов? Конечно нормально работать не будет, т.к. контроллер будет пытаться регулировать ток нагрузки по профилю заряда батареи. Скорее всего, сработает одна из функций безопасности и отключит его, думая, что с аккумулятором что-то не так. Я не думаю, что вы можете сделать что-нибудь, чтобы заставить это работать. Это как пытаться смолоть кофе блендером. Возможно, в конце концов вы сможете это сделать, но зачем беспокоиться? Особенно учитывая, что контроллеры MPPT дешевле, чем контроллеры заряда MPPT.
Предположим, что я построил свой собственный контроллер постоянного тока с алгоритмом MPPT. Этот контроллер не предполагает батареи на нагрузке и простых попыток поддерживать фиксированное напряжение на выходе DC-DC преобразователя. Я не хочу использовать батарею и питать любую нагрузку (ниже максимальной солнечной энергии). Каковы будут проблемы?
Как я объяснил в ответе, контроллер MPPT работает лучше всего, когда нагрузка может адаптироваться к доступной выходной мощности. Так что, я думаю, основная проблема будет заключаться в поддержании фиксированного напряжения на выходе. Вам необходимо выяснить точные параметры ШИМ для управления переключателем, чтобы поддерживать стабильное выходное напряжение при заданном токе нагрузки, а также поддерживать панель в MPP. Не говоря уже о том, что сама MPP постоянно меняется в зависимости от условий освещения. Тем не менее, вы упомянули инвертор выше. Инвертор не требует фиксированного напряжения, что делает его пригодным в качестве нагрузки для незаряжающегося контроллера MPPT.
Спасибо, это многое прояснило. Однако я не понимаю, зачем нам держать панель на МПП? Предположим, у меня есть этот сложный контроллер заряда MPPT, который поддерживает постоянное выходное напряжение, сохраняя при этом панель в режиме MPP. Однако, если это (нагрузочный_ток x фиксированное_напряжение) < MPP, панель должна работать в какой-то момент ниже MPP, верно?
См. первый абзац ответа и график после него.
Большой! Этот момент кажется не очень хорошо известным большинству. Я также сильно заинтересован либо в «чистом» преобразователе MPPT, либо в сетевом инверторе MPPT, обслуживающем нагрузку постоянного тока. Вы знаете какой-нибудь? В основном для этого требуются только преобразователи с архитектурой шины постоянного тока.
@MilindR Извините, я мало знаю о коммерческих устройствах на рынке. Я пытался объяснить здесь теорию работы MPPT, надеясь, что это поможет с практической реализацией.
Как контроллеры заряда MPPT ограничивают мощность, если нагрузка меньше солнечной генерации?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 1v